带多充液贮箱及机动柔性附件航天器耦合动力学研究

发布时间：2017-08-23 10:21

  本文关键词：带多充液贮箱及机动柔性附件航天器耦合动力学研究

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【摘要】：航天器在进行轨道转移、姿态调整、附件机动等过程中,将不可避免的会引起贮箱内的液体晃动和柔性附件的振动,从而导致航天器系统产生刚-液耦合、刚-柔耦合及刚-液-柔耦合等复杂的耦合动力学效应,并对航天器姿态、轨道控制系统的控制精度产生较明显的影响,甚至会出现航天器系统整体的失稳。本文以此为研究背景,对在低重力环境下运行的携带有多个充液圆柱贮箱及机动柔性附件航天器的耦合动力学进行较系统的研究,具体工作如下:(1)考虑低重力环境下圆柱贮箱内由于表面张力影响而呈现弯曲自由液面的情况,利用Fourier-Bessel级数对贮箱分别受横向激励和俯仰激励时的自由液面处的边界条件进行展开,分别得到相应的液体晃动系统的广义状态方程,给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特性的计算公式,得到分析低重力环境下圆柱贮箱内液体晃动特性的一种新半解析法。通过数值算例仿真,具体研究了各晃动特性随充液深度、外激励频率和邦德数等参数变化的规律,同时验证了文中方法的收敛性、可行性和准确性。(2)推导了带多充液圆柱贮箱刚性航天器中贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体晃动动力学状态方程。运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体运动动力学方程,进一步联立上述动力学方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程,较系统的建立了带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合分析的一种新的模块化计算体系,并编制出相应的模块化计算程序。通过计算实例验证所编程序准确性的同时,具体研究了贮箱布局、燃料不均匀消耗、外激励形式等对航天器动力学特性的影响。(3)通过将附件本体坐标系的工作面建立在附件机动面上,得到本体坐标系与主体坐标系之间坐标转换角的较简洁的表达式;基于伯努利-欧拉梁理论,建立三维机动柔性附件的动力学模型;依据达朗伯原理,对梁中三轴向的惯性力和力矩对空间位置进行积分,得到航天器主体与柔性附件之间的相互作用内力表达式,并运用准坐标系下的拉格朗日方程,建立了带多柔性附件航天器的刚-柔耦合动力学状态方程。通过将数值计算结果与文献结果对比,验证了文中方法的正确性。(4)进一步运用具有统一形式的准坐标系下的拉格朗日方程建立了带多充液圆柱贮箱及柔性附件航天器的耦合动力学状态方程,编制相应的模块化计算程序,得到适用于带多充液圆柱贮箱及柔性附件航天器的刚-液-柔或刚-液-柔-控耦合系统动力学分析的完整计算体系和仿真平台;通过具体算例仿真,研究了该类航天器在不同工况下的刚-液-柔耦合动力学性能。(5)基于输入成型技术设计出了航天器姿、轨坐标追踪控制的复合自适应终端滑模控制器;并通过数值算例,研究了带充液圆柱贮箱航天器刚-液-控耦合系统的动力学特性。计算结果表明:常规的自适应终端滑模控制器能良好的实现对带单个充液圆柱贮箱航天器姿、道坐标参数的精确控制和贮箱内的液体晃动的有效抑制;但当将该控制器应用于带多充液贮箱的航天器上时,航天器系统的动力学性能却表现出明显的刚-液-控耦合共振现象,严重影响航天器姿、轨参数的控制精度和系统稳定性;而文中采用输入成型技术对原控制器进行卷积后得到的复合控制器,不仅能有效避免该类刚-液-控耦合共振现象的出现,也能使航天器姿态、轨道坐标得到精确控制。综上所述,本文通过深入系统地研究,建立了带多充液圆柱贮箱及柔性附件航天器耦合动力学分析的一种模块化全模态计算体系,有效的避免了传统方法中需将航天器中充液贮箱内的液体晃动利用力学模型等效替代时所出现的问题或不足,为进一步开展相关研究打了重要的理论基础。
【关键词】：低重力环境 多充液贮箱航天器 准坐标系下的拉格朗日方程 耦合动力学分析 机动柔性附件 全模态计算体系
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414;V448.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-23
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势15-21
• 1.2.1 低重力环境下的液体晃动特性分析的研究进展15-18
• 1.2.2 带充液贮箱航天器刚-液耦合动力学分析的研究进展18-19
• 1.2.3 带柔性附件航天器的动力学建模及刚柔耦合计算的研究进展19-21
• 1.3 拟采取的技术路线和研究内容21-23
• 第2章 液体晃动分析的FOURIER-BESSEL级数展开法23-49
• 2.1 引言23
• 2.2 横向激励下晃动系统方程的推导和求解23-33
• 2.2.1 拉普拉斯方程和边界条件的建立23-25
• 2.2.2 静液面形状的描述25-26
• 2.2.3 液体晃动动力学方程的线性化26-27
• 2.2.4 液体晃动势的模态坐标27-30
• 2.2.5 液体横向晃动动力学方程的级数展开30-32
• 2.2.6 固有频率、晃动力和晃动力矩32-33
• 2.3 俯仰激励下晃动系统方程的推导和求解33-38
• 2.3.1 边界条件的建立33-35
• 2.3.2 俯仰晃动动力学方程的级数展开35-37
• 2.3.3 固有频率、晃动力和晃动力矩37-38
• 2.4 算例仿真与分析38-48
• 2.4.1 横向激励下的液体晃动38-42
• 2.4.2 俯仰激励下的液体晃动42-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 带多充液圆柱贮箱航天器的刚-液耦合动力学建模与分析49-84
• 3.1 引言49
• 3.2 刚-液耦合系统状态方程的建立49-62
• 3.2.1 充液航天器耦合晃动的计算模型49-50
• 3.2.2 牵连速度势的形式50-52
• 3.2.3 耦合系统方程的级数展开52-58
• 3.2.4 晃动力和晃动力矩58-61
• 3.2.5 航天器主体的动力学状态方程61
• 3.2.6 充液航天器全耦合系统的动力学状态方程61-62
• 3.3 算例仿真与分析62-83
• 3.3.1 算例简介62-63
• 3.3.2 燃料不均匀消耗对航天器性能的影响63-66
• 3.3.3 不同轨道驱动力对航天器性能的影响66-71
• 3.3.4 姿态不受控时的晃动势模态分布仿真71-78
• 3.3.5 姿态受控时的晃动势模态分布仿真78-83
• 3.4 本章小结83-84
• 第4章 带机动柔性附件航天器的刚-柔耦合动力学建模与分析84-100
• 4.1 引言84
• 4.2 系统动力学方程的推导84-90
• 4.2.1 带机动柔性附件航天器计算模型的建立84-86
• 4.2.2 机动柔性附件的偏微分方程86-87
• 4.2.3 机动柔性附件的模态坐标解法87
• 4.2.4 刚-柔耦合系统的动态内力值87-88
• 4.2.5 主刚体动力学方程的建立88-89
• 4.2.6 刚-柔耦合系统动力学状态方程的建立与计算89-90
• 4.3 算例仿真与分析90-98
• 4.3.1 算例 190-95
• 4.3.2 算例 295-98
• 4.4 本章小结98-100
• 第5章 带多充液圆柱贮箱及可机动柔性附件航天器的刚-液-柔耦合动力学建模与分析100-116
• 5.1 引言100
• 5.2 耦合系统动力学分析100-102
• 5.2.1 主刚体动力学方程的建立100-101
• 5.2.2 耦合系统动力学状态方程的建立101
• 5.2.3 耦合系统动力学计算的程序流程101-102
• 5.3 算例仿真与分析102-115
• 5.3.1 算例 1——带多充液圆柱贮箱及柔性附件航天器耦合动力学分析102-107
• 5.3.2 算例 2——带多充液圆柱贮箱及机动柔性附件航天器耦合动力学分析107-115
• 5.4 本章小结115-116
• 第6章 带多充液圆柱贮箱航天器刚-液-控耦合动力学分析116-139
• 6.1 引言116
• 6.2 基本方程116-118
• 6.2.1 欧拉角与姿态四元数的关系式116-117
• 6.2.2 基本引理117-118
• 6.3 姿轨自适应终端滑模控制器设计118-121
• 6.3.1 姿态稳定的自适应终端滑模控制器118
• 6.3.2 轨道追踪的自适应终端滑模控制器118-121
• 6.4 算例仿真与分析121-138
• 6.4.1 带单个充液贮箱的航天器121-127
• 6.4.2 带四个充液贮箱的航天器127-138
• 6.5 本章小结138-139
• 结论139-141
• 参考文献141-149
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单149-150
• 致谢150-151
• 作者简介151

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：724477